盤式制動器關鍵零部件模態分析

何家盼

摘要：盤式制動器作為一種制動裝置，在汽車和其他運輸設備上較為常見。盤式制動器運行中產生的各種振動對自身的工作性能影響較大。本文主要在ANSYS軟件的幫助下構建起了盤式制動器關鍵零部件的三維有限元模型，分析其振動特性，在約束模態分析的基礎下得出了摩擦盤和卡鉗前六階固有振型和頻率，結果顯示卡鉗的第二階和摩擦盤的第三階固有頻率較為接近，可促使系統產生共振現象。

Abstract： As a braking device， disc brakes are more common in automobiles and other transportation equipment. The various vibrations generated during the operation of the disc brake have a greater impact on its performance. In this paper， with the help of ANSYS software， a three-dimensional finite element model of the key components of the disc brake is constructed， and its vibration characteristics are analyzed. Based on the constrained modal analysis， the first six-order natural vibration modes of the friction disc and the caliper Frequency， the result shows that the second-order natural frequency of the caliper is close to the third-order natural frequency of the friction disc， which can promote the resonance of the system.

關鍵詞：盤式振動器;模態分析;有限元法

Key words： disc vibrator;modal analysis;finite element method

0 ?引言

盤式制動器作為一種制動裝置，該裝置關鍵零部件較多，如摩擦盤、卡鉗等。摩擦片與摩擦盤的相互配合實現摩擦力矩制動，盤式制動器上兩邊的摩擦片的分布情況是對稱的，制動軸本身不承擔彎矩。盤式制動器的優點就是制動力矩較為穩定、維護方便、散熱條件較好。正是盤式制動器的優勢所在才使得該裝置在汽車和其他運輸設備上廣泛應用。

1 ?盤式制動器結構及其優點分析

1.1 盤式制動器的結構

盤式制動器摩擦副中旋轉元件，該元件的端面為金屬圓盤，被稱為制動盤。固定元件的結構型式多樣，整體上分析可以將固定元件的結構形式分為兩類，一類是固定元件金屬背板和制動鉗構成的制動器，該制動器被稱為鉗盤式制動器。另一類為摩擦塊與金屬背板構成的制動塊，其中摩擦塊的整體面積不大，每個制動器上的制動塊大約在兩到四個。這些制動塊分布在制動盤兩側的夾鉗形支架上，其分布形式按照橫跨式分布，與制動塊一起分布的還有促動裝置，他們一起被稱為制動鉗。當制動盤所有的工作面與摩擦片接觸時此時的制動器被稱為全盤式制動器。中央制動器大多采用鉗盤式制動器，現階段貨車和轎車中將鉗盤式制動器用作車輪制動器。只有少數汽車上采用的是全盤式制動器，這些汽車以重型汽車居多。其中盤式制動器的結構圖見圖1所示。

1.2 盤式制動器的優點

盤式制動器與鼓式制動器相比，具備的優點較多。

一是盤式制動器具有較好的熱穩定性。盤式制動器不需要自己增力，因此摩擦表面壓力可以均勻分布在襯塊上，與鼓式制動器明顯不同;

二是盤式制動器具有較好的水穩定性。制動襯塊可以將單位壓力施加在盤上，且施加的單位壓力較高，方便水擠出。因此盤式制動器即便是在進水狀態下，其自身的效能也不會明顯降低。加上襯塊對盤的擦拭作用和離心力作用，要想恢復正常只需要在出水后經一次或者兩側的制動即可，而鼓式制動器則需要經過最少十次的制動;

三是盤式制動器制動力矩不受汽車運動方向的影響;

四是制動襯塊上的壓力分布較為均勻，因此襯塊的磨損也呈現出均勻的特征;

五是襯塊一旦磨損嚴重需要更換時，更換操作也較為簡單;

六是制動盤與襯塊兩者之間的間隙較小，一般在0.05-0.15mm，在間隙較小的情況下可以將制動協調時間明顯縮短，由此滿足自動調整間隙的需求;

七是盤式制動器可以較為容易地構成雙回路制動系統，雙回路制動系統下可以確保車輛運行的安全性和可靠性[1]。

2 ?構建盤式制動器有限元模型

在有限元軟件的輔助下構建起了盤式制動器關鍵零部件的三維物理模型。其中盤式制動器的關鍵零部件材料的屬性情況如表1所示。為了確保所構建的三維物理模型與盤式制動器的實際工作情況盡可能相一致，需要將相應的位移約束條件施加在各個零部件上，并對其進行網格劃分。其中制動盤之間D需要設置相對大一點，因為增大制動盤的有效半徑可以將制動鉗的夾緊力適當降低，進而促使摩擦襯塊的單位壓力和工作溫度降低。但是實際中輪輞直徑會限制制動盤直徑D，因此一般情況下輪輞直徑的70-79%為制動盤直徑D的大小。并且在汽車質量超過2t的情況下，制動盤直徑D需要取上限數值[2]。

3 ?分析盤式制動器有限元模態

約束模態分析摩擦盤、摩擦片、支架和卡鉗等關鍵零部件，得出了零部件前六階的振型和固有頻率。研究顯示卡鉗的第二階和摩擦盤的第三階固有頻率較為接近，可促使系統產生共振現象。其中卡鉗和摩擦盤的模態分析結果如下表述。高階模態分析結果出現誤差是不可避免的，且加上高頻率與低頻率相比，更難以被激勵，因此本次只是對摩擦盤和卡鉗前六階固有振型和頻率的分析[3]。摩擦盤的固有頻率見表2。

分析摩擦盤和卡鉗前六階固有振型可以發現每一階固有頻率存在的振型是相對應的。其中兩邊相對于中心線的對折運動是摩擦盤的第一階振型主要表現，該振型中振動中心線相差的角度為180°，390Hz為對應的頻率數值;內孔固定，剩余部分自外向內作軸向運動是第二階振型的主要特征，421Hz為對應的頻率數值;兩兩對折運動，且對稱中線相差180°為第三階振型的主要特征，該振型中556Hz為對應的頻率數值;兩兩對折運動，且對稱中線相差60°為第四階振型的主要特征，該振型中1132Hz為對應的頻率數值;柱坐標系下的扭轉運動是第五階振型的主要特征，1423Hz為對應的頻率數值;兩兩對折運動，且對稱中線相差45°為第六階振型的主要特征，該振型中1983Hz為對應的頻率數值[4]。卡鉗的固有頻率見表3。

分析卡鉗的振型特征，結果發現，兩側擺沿軸向繞根部的相向擺動為第一階振型的主要特征，456Hz為對應的頻率數值;兩側擺沿軸向繞根部的同向擺動為第二階振型的主要特征，558Hz為對應的頻率數值;某一側擺繞根部扭轉運動為第三階振型的主要特征，662Hz為對應的頻率數值;兩側擺上下兩端繞根部的同向擺動為第四階振型的主要特征，893Hz為對應的頻率數值;兩擺板上下兩端繞根部的相向擺動為第五階振型的主要特征，1082Hz為對應的頻率數值;某一側擺沿軸向的對折彎曲運動為第六階振型的主要特征，1201Hz為對應的頻率數值[1]。

4 ?模態結果分析

分析上述結果可以發現摩擦盤的振型和固有頻率呈現出一定的對稱特性。其中卡鉗的第二階頻率和摩擦盤的第三階頻率是較為接近的，期間共振現象較為明顯。此時一旦外部激勵與該頻率范圍較為進階，整個系統產生的震動則較為明顯。由此可見加強對盤式制動器有限元算法的研究，進一步協同優化設計是非常必要的。

5 ?結語

以上就是本文對盤式制動器關鍵零部件模態的相應分析，結合盤式制動器實際運行工況并進行了相應的約束，約束模態分析盤式制動器，得出關鍵零部件的振型和固有頻率，結果顯示卡鉗的第二階和摩擦盤的第三階固有頻率較為接近，可促使系統產生共振現象。希望通過本次分析可以對該領域的研究有一定的參考意義。

參考文獻：

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